FMT太粗？抗生素太猛？精准调菌或成未来

这是《肠道产业》第 978 篇文章

编者按

CRISPR 是生物科学领域的游戏规则改变者，其影响极其深远，从改变老鼠皮毛的颜色到设计不传播疟疾的蚊子和抗虫害作物，再到修正镰状细胞性贫血等各类遗传疾病等等。那么它是否可以被应用于微生物组领域呢？是否可以用来精准调节微生物组呢？

今天，我们共同关注 CRISPR 技术与微生物组。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

如何精准调节肠菌？

在过去的 25 年里，由于测序技术的进步，研究人员对我们的伴侣——微生物，有了更加深刻的了解，同时也产生了大量的研究数据。但研究人员仍然缺乏有效的方法来调控微生物组。

通过摄入补充剂或粪菌移植来引入新微生物的尝试鲜有成功，因为外来的新细菌很难在一个拥挤的微生物组中站稳脚跟。而使用抗生素则会在杀死致病菌的同时对好的细菌造成伤害，还可能会导致存活下来的细菌产生抗药性。

加州大学旧金山分校的副教授 Peter Turnbaugh 说：“我们在操纵微生物组方面，还不够精准。这促使我们寻找一种工具，使我们可以精准调控微生物组。”最近，他的研究团队开发了一种基于 CRISPR-Cas9 技术调控微生物组的方法。

在体外，科学家通过用 CRISPR 系统的 Cas 核酸酶诱导靶序列双链 DNA 断裂，从而实现敲除基因或杀死细胞的目的。而 Turnbaugh 的团队开发的这种方法，则利用 CRISPR-Cas 技术实现了一次靶向调节一个细菌菌株或基因的目的。相关研究成果发表在 Cell Reports 杂志上。

“这种方法绝对是非常有趣的。并且该领域正在尝试对微生物组进行具体的、像外科手术一样的调整，”未参与这项研究的欧洲分子生物学实验室的组长 Michael Zimmermann 说道，“显然，鉴于微生物组与健康和疾病的这种联系，我们需要调节它。”

特殊的递送

利用 CRISPR 系统调控微生物组的关键是找到一种可以将 CRISPR 传递给目标细菌的方法。

为了实现这一目的，Turnbaugh 团队将目光转向了噬菌体，噬菌体与它们所感染的细菌间有一种特殊的关系：大多数噬菌体只感染一个特定的菌种或菌株。

虽然有些噬菌体在感染细胞后会导致细胞死亡，但丝状噬菌体并非如此，其采取了一种更温和的方法。如Turnbaugh 所使用的针对大肠杆菌的噬菌体 M13，其可以被用来向宿主提供遗传物质。

基于此，研究人员决定用含有 CRISPR 系统的质粒来包装噬菌体，而该质粒被设计用于针对特定的目标 DNA 序列。

为了可视化 CRISPR 系统，科学家还将该系统设计成了一个靶向破坏编码绿色荧光蛋白（GFP）基因位点的系统。

在进行噬菌体处理之前，科学家们首先将两个分别含 GFP 红色荧光（mCherry）的大肠杆菌菌株定植于小鼠体中，作为对照。随后，研究人员使用了一种同时含有两种荧光基因的细菌菌株。

接下来，研究人员让小鼠口服噬菌体，让噬菌体与肠道中的大肠杆菌发生相互作用。Turnbaugh 团队预期，CRISPR 系统将在 GFP 基因位点上切割细菌基因组，从而杀死大多数无法自我修复损伤的细胞。

为了确定他们的实验是否成功，研究人员从小鼠粪便样本中分离出了细菌，并进行了荧光分析。总的来说，改造后的噬菌体杀死了小鼠肠道中大多数含有 GFP 的细菌。在从粪便中收集的幸存细菌中，研究人员观察到许多红色荧光细胞，以及少数绿色和无荧光的大肠杆菌。

全基因组测序表明，那些被噬菌体感染但却幸存下来的失去了绿色荧光的细菌，在 GFP 基因上存在很大的缺失，这可能是因为菌株不能精确地对 Cas9 诱导的双链 DNA 断裂进行修复。这表明在大多数情况下，噬菌体找到了它们的目标，并实现了精准切割。

未来前进的方向

Turnbaugh 认为这项工作将为研究人员提供一种可在实验室中使用的新工具。通过在体内精确地编辑细菌的基因组，他们可以了解微生物组和病原微生物驱动健康或疾病的重要机制。

此外，Turnbaugh 的团队目前还在积极解决该方法的局限性。值得注意的是，小鼠的肠道与人类的肠道并不相似，而且，研究人员出于多种原因使用抗生素处理了小鼠，以便为荧光标记的大肠杆菌腾出空间。

此外，据 Zimmermann 的说法，该方法的另一个局限性是目前所测试的细菌只有大肠杆菌，这也是 Turnbaugh 希望未来能够解决的问题。

“我们有来自世界各地的海量数据，这些数据展现了肠道噬菌体的多样性，但我们并不清楚这些噬菌体与哪种细菌配对，”Turnbaugh 说道，“下一步的主要工作之一是找到其他配对的细菌与病毒组合。我们希望有更多的可以针对菌群中其他菌株的噬菌体，并且最理想的是这种针对性不是针对某一特定菌株的。”

此外，该方法并非万无一失，因为研究人员在粪便中看到了成功躲避 CRISPR 攻击的细菌。

“细菌是天生的、令人惊叹的逃生艺术家。无论你想做什么，它们都有办法躲避，”该论文的第一作者Kathy Lam 说道，“你对它进行了双链切割。但是它们会以允许自身生存下去的方式对 DNA 进行修复，或使 CRISPR-Cas 系统变异，这一点都不奇怪。”

因为细菌会修复自身 DNA，因此研究人员很少将 CRISPR 技术视为一种旨在杀死细菌的抗菌剂，而是将其视为一种通过破坏靶向基因，去了解和调节致病菌或微生物群的一种方式。

Lam 说道：“如果在你的肠道内有生物体，而且它们正在分解肠道内的分子，那么了解这些分解活动非常重要。如果它们是不受欢迎的，那么你就有可能可以敲除执行该活动的特定基因。”

除了去除不需要的细菌或基因外，这种噬菌体递送系统还可以向定植的微生物群提供理想的基因，这开启了许多可能性。

“我们正在考虑的另一种策略是获得功能，”Turnbaugh 说道，“理想情况下，我们希望在大肠杆菌中添加既对细菌有用又与治疗疾病相关的功能。我们想尝试与大肠杆菌合作，使肠道更健康。”

原文链接：

https://www.the-scientist.com/sponsored-article/modifying-the-microbiome-in-vivo-one-bacteria-and-gene-at-a-time-69714

作者｜Niki Spahich

编译｜Alex Zhang

审校｜617

编辑｜豫小鱼

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